一种基于光电传感器组的智能车寻迹算法.doc

精品论文大集合一种基于光电传感器组的智能车寻迹算法鲁盼，王换换，欧意文 长安大学电子与控制工程学院，陕西西安（710064） E-mail: 272955740摘要: 针对基于光电传感器寻迹的自动导引智能车, 设计了一种传感器阵列的布置方式。根据此布置方式布置的光电传感器组, 提出了三个处理规则结合而成的轨迹识别算法。该算 法能准确引导智能车寻迹，即使在导引线复杂的情况下,也能使智能车检测出引导线, 并控制智能车沿引导线运动。当遇到干扰走错时, 智能车能够退回到上一正确状态，自动重新检测、运行，具有自动纠错功能。系统硬件电路简单，算法先进，可广泛用于模型车竞赛、教学和 实际运用。关键词:智能车；寻迹算法；规则1. 引言近年来, 汽车智能化越来越受到人们重视, 汽车的智能水平不断提高。在自主式智能导 航系统中, 智能车要实现自动导引功能就必须要感知导引线, 即常说的“寻迹”, 这相当于给 汽车一个视觉功能。本文设计的智能车是一个自动导引小车(AGV), 包括两大部分: 一是行进方向的检测处 理; 二是步进电机的驱动。在该系统里, 采用与地面颜色有较大差别的线条作引导,使用传感器感知导引线, 用单 片机 MC9S12DG128 扫描光电传感器组, 对采集到的信号进行分析处理并做出逻辑判断后, 得到行进方向, 然后根据一定的步数去驱动步进电机, 实现机器人的循迹行进。小车的驱动 采用步进电机, 因为步进电机具有快速起停能力, 且转换精度高, 正反转控制灵活。2. 硬件电路采用 MC9S12DG128 单片机作为控制核心对光电传感器送来的各种信号进行分析处理14, 以控制机器人的方向和驱动及数据显示等, 如图 1 所示。图1 硬件框图为了检测黑色导引线, 采用了 8 个光电传感器组成的矩阵组。如图 2 所示, 相对于小车 底盘的中心, 我们布置了内外两层各 4 个传感器。每层 4 个传感器对应着中心的 4 个方向: 前、后、左前、右前。可采用扫描方式分两次得到各行数据。- 5 -图2 光电传感器矩阵组导引线检测的具体电路如图 3 所示。此处采用的是 TCRT5000 反射式红外光电传感器。 以第 1 行第 1 列的光电传感器为例, 其工作原理是这样的: P1 .0 输出低电平时, 三极管 A1015 导通, 光电传感器工作, TCRT5000 的发射端发出不可见的红外光。当反射物由非黑 色导引线变为黑色导引线时, 光电三极管的基极接受不到反射光, 从而光敏三极管由导通变 为截止, 使得集电极电压由低电平变为高电平, 经过 74LS14 反相器反相整形, 输出值由逻 辑 1 变为逻辑 0 后, 送入单片机中进行进一步处理5。VCCR11R12R21R22R31R32R41R4227033K27033K27033K27033KTCRT5000TCRT5000TCRT5000TCRT5000P35100A1015NPNTCRT5000TCRT5000TCRT5000TCRT5000P34100A1015NPNP1374L814P1274L814P1174L814P1074L814图3 光电传感器电路图值得指出的是在此处 PNP 三极管 A1015 的使用。此处如果选用 NPN 三极管, 则在开 机或复位时 P1 口各位输出高电平会误扫描传感器矩阵, 而选用 PNP 三极管就可以避免这 种情况, 能很好的控制光电传感器的工作, 并可以增加驱动能力。3. 寻迹单片机控制寻迹的原理是这样的: 第一步, 通过矩阵式扫描, 即给光电传感器矩阵分别 输入两个“1”信号的行值, 将输出的 4 个列值信号分别存入两个地址( 如 30H、31H) 的低 4 位, 低 4 位从高到低分别对应着 4 个方向: 前、后、左前、右前。然后用“F0”与这八位做“或”逻辑运算, 即屏蔽掉高四位后作为本次的信号值; 第二步, 将本次的信号值与上一次扫描处理后的信号值进行逻辑处理, 得出一个新方向, 作为智能车行进的方向。在这个程序里, 逻辑处理内外层得到新方向是寻迹的关键。笔者在其中按先后步骤使用 了 3 种规则:前后比较规则, 内外层切换规则, 优先级规则。( 1) 前后比较规则 此规则是这个算法的核心规则。它的目的是尽可能的用新探测到的黑点作为新方向。新方向 F 通过F = ( Pi Pi 1 ) Pi 1(1)来求得。( 其中 Pi 为本次的信号值, Pi- 1 为前次的信号值) 逻辑处理前“0”表示黑线轨 迹, 逻辑处理后“1” 表示轨迹行进方向。举例如下: 以内层为例, 设当前测得的值为 Pi=1,1,1,1,ai,bi,ci,di且前一次测得的值为Pi- 1=1,1,1,1,ai- 1,bi- 1,ci- 1,di- 1经过上述( 1) 逻辑处理后, 假设结果为 F=0,0,0,0,1,0,0,0,则正前方是行进的新方向。( 2) 内外层切换规则如果光电传感器组前后两次所检测的值完全一样, 则在逻辑处理后会出现全零, 这时保 持原方向行进。如果碰到曲线拐弯或者曲线断续, 则有可能出现多个“1”即多个方向, 这时可 采用“内外层切换规则”, 也就是说从内层切换到外层, 启用外层扫描值重复上述前后比较规 则来进行判断。启用外层信号进行二次判断能很好的处理曲线拐弯及曲线断续等内层处理不 好的情况。但用外层信号判断, 因为其传感器布置的间隙距离比内层大, 其控制精度不如用 内层信号判断高。( 3) 纠错规则在运行中, 传感器有可能受到干扰而发出错误信号导致智能车走错或迷失方向, 这个时 候纠错规则能让智能车后退起到纠错作用。所谓纠错规则就是在走错后出现了内外层左前、 前、右前均没有探测到引导线, 而后向探测到了导引线的情况下,让智能车后退, 一直退到前 面三个方向传感器里有传感器探测到导引线为止。此时再用( 1) 式求得新的行进方向, 从而 实现纠错功能。其中前后比较法的逻辑处理及随后的判断程序具体如下: ( 30H 放本次信号 值, 32H 放前次信号值)DATADEAL:MOV A, 30H XRL A, 32HANL A, 32H ; 按( 1) 式求新向MOV 36H, A ; 保存MOV R3, #8MOV R4, #0COUNT: JB ACC.0, ADDN COUNT1: RR ADJNZ R3, COUNTCJNE R4, #1H, JUDGE ; R4 里所含不是1 个“1”时, ; 转“JUDGE”再判断AJMP MOTORRUN ; R4 里只有一个“1”时, 以此;“1”所代表的方向作为新方向ADDN: INC R4AJMP COUNT1JUDGE: JC KEEPMOVE ; 少于一个“1”, 保持原方向AJMP OUTCHECK ; 多于一个“1”, 则取用外层 MOTORRUN: ; 电机驱动子程序KEEPMOVE: ; 保持原运动状态子程序OUTCHECK: ; 取用外层信号值判断子程序4. 执行导引智能车的驱动方式采用一驱动轮一转向轮方式: 将后轮作为驱动轮, 前轮作为转向 轮, 通过切换转向轮向左或向右的方式改变智能车的方向。这种方式与汽车的控制方式一样, 直线行进性能好, 可以高速移动。从 1 个步进脉冲对应的行进路程, 可以预算出应给步进电 机发出的脉冲数。预定的行进路程以小于内层传感器间隙距离的 1/2 为宜, 这样可以保证智 能车位置测量的连续性和方向识别的准确性。单片机 AT89C52 根据其逻辑处理出来的方向, 调用步进电机的驱动程序即可实现智能车循迹连续运动的功能。5. 总结在做好硬件部分的基础上, 根据上述思路编制了程序进行实验。实验中采用了与底色有 较大差异的黑色胶带作导引线, 胶带宽 1.8cm, 其中导引线总长 6000mm, 断续部分的间断距 离不大于 10mm, 步进电机执行一次驱动预定的行进路程为 4mm。在没有强烈日光干扰的情 况下, 寻迹系统能自动识别黑色导引线并选择正确的方向运动。测试结果: 系统总能在 60S 内连续正确地走完全程, 而且机器人( 中心) 所走的轨迹基本上在黑线上。可见, 即使是比 较复杂的曲线, 智能车也能准确地实现寻迹功能。本文的创新点是: 针对基于光电传感器组寻迹的智能车, 设计了一种新的传感器阵列的 布置方式。根据此布置方式, 提出了三个处理规则结合而成的轨迹识别算法。参考文献1 卓晴,黄开胜,邵贝贝等.学做智能车挑战“飞思卡尔”杯.北京航空航天出版社,2007.3. 2 邵贝贝,单片机嵌入式应用的在线开发方法.清华大学出版社,2004（2007重印）3 杨国田,白焰.摩托罗拉（Motorola）68HC12系列微控制器原理、应用与开发技术.中国电力出版社,2003. 4 刘慧银,龚光华,王云飞等.Motorola（Freescale）微控制器MC68HC08原理及其嵌入式应用.清华大学出版 社,2005.15光电开关应用简介.DB/DL6Kwok L. Tang, Robert J. Mulholland. Comparing Fuzzy Logic with Classical Controller Designs. IEEE Transactions on Systems. Man. and Cybernetics, 1987,17(6): 1085-10877An algor ithm of navigation for smart car which is guided by the photoelectric sensors setLU Pan, WANG Huanhuan, OU YiwenSchool of Electronic and Control Engineering, CHANG-AN University, Xian (710062)AbstractSensor - array are newly laid out for smart car which is guided by the photoelectric sensors set.Analgorithm of navigation is provided which is combined in three rules according to the layout of sensors. Even if the track is complex,direction can be calculated by the arithmetic,and the smart car can be steered to follow the track.Errors can be corrected by smart car when disturbs appears. The system have simple hardware line, advanced algorithm and effective actual application,can be widely used in the intelligent car contest,teaching and performance testing research.Key words: smart; car,algorithm; of navigation,rule